鄭徐客運(yùn)專(zhuān)線路基工程地基處理技術(shù)探析

王 閏

(鄭西鐵路客運(yùn)專(zhuān)線有限責(zé)任公司，河南鄭州 450008)

為保證軌道結(jié)構(gòu)的平順性和行車(chē)安全，高速鐵路對(duì)地基沉降有極為嚴(yán)格的要求，路基工程地基處理和沉降控制是軟土地區(qū)高速鐵路建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，相關(guān)研究受到人們的廣泛關(guān)注［1-4］。鄭徐客運(yùn)專(zhuān)線沿線第四系地層覆蓋呈厚層或巨厚層狀，表層更是分布有厚度巨大的的軟土和松軟土層，需采取地基加固措施來(lái)控制路基工程工后沉降，地基處理措施的合理選取是確保鄭徐客運(yùn)專(zhuān)線路基工程施工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)沿線工程地質(zhì)條件、線路等級(jí)及控制標(biāo)準(zhǔn)、路基部位及填高等因素，確定了鄭徐客運(yùn)專(zhuān)線路基工程采用的地基處理類(lèi)型及選取原則，并以蘭考南站為實(shí)例進(jìn)行了詳細(xì)分析，以期為工程建設(shè)過(guò)程中提供一定的參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 工程概況

鄭徐客運(yùn)專(zhuān)線跨越河南、安徽和江蘇三省，西起鄭州市，與鄭西、京廣客專(zhuān)銜接，東至徐州市，與京滬高鐵銜接，全長(zhǎng)361.937 km，正線路基全長(zhǎng)23.421 km，基本位于車(chē)站范圍內(nèi)，區(qū)間正線路基長(zhǎng)度6.830 km。全線設(shè)鄭州東、開(kāi)封北、蘭考南、民權(quán)北、商丘、碭山南、永城北、蕭縣北、徐州東共9個(gè)車(chē)站，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h，鋪設(shè)Ⅲ型板無(wú)砟軌道。另有鄭州、商丘、徐州樞紐配套工程，路基工程為有砟軌道。

1.2 工程地質(zhì)條件

鄭徐客運(yùn)專(zhuān)線位于沖積平原，沿線廣布厚層或巨厚層的第四系覆蓋層，厚度最大超過(guò)400 m。全線表層松軟土地層(以軟塑狀粉質(zhì)黏土和稍密狀粉土為主)厚度大，一般地段厚20～45 m，局部可達(dá)50 m以上，且存在軟硬互層或硬夾層情況。其中鄭州至商丘段和徐州地區(qū)松軟土厚多在30 m以?xún)?nèi);商丘至蕭縣段松軟土厚為35～45 m，最大厚度達(dá)54 m;路基工程工后沉降控制較為困難。

2 地基加固處理原則及類(lèi)型

2.1 地基加固類(lèi)型總述

根據(jù)工程地質(zhì)條件、線路等級(jí)及控制標(biāo)準(zhǔn)、路基部位及填高等因素，設(shè)計(jì)主要采用了7種地基加固措施:①CFG樁樁網(wǎng)復(fù)合地基;②管樁樁網(wǎng)(樁筏)結(jié)構(gòu);③素混凝土樁樁筏結(jié)構(gòu);④鉆孔樁樁板結(jié)構(gòu);⑤螺桿樁樁網(wǎng)復(fù)合地基;⑥長(zhǎng)短樁樁筏結(jié)構(gòu);⑦雙向水泥土攪拌樁或水泥砂漿樁。其中管樁、素混凝土樁、鉆孔灌注樁為剛性樁，其余為半剛性樁或柔性樁。螺桿樁樁網(wǎng)復(fù)合地基、長(zhǎng)短樁樁筏結(jié)構(gòu)為新型地基加固措施，在本項(xiàng)目中為首次采用。

2.2 地基沉降控制原理與檢算

路基工程需同時(shí)滿(mǎn)足穩(wěn)定、工后沉降和復(fù)合地基承載力要求。無(wú)砟軌道路基以工后沉降或不均勻沉降控制為重點(diǎn)，選用針對(duì)性的地基加固措施。

路基沉降包括動(dòng)荷載引起的沉降、路基本體的壓密沉降和地基土壓縮沉降三部分。其中路基本體填料的沉降量相對(duì)較小，完成時(shí)間較短，工后沉降不考慮;動(dòng)荷載引起的沉降一般按5 mm考慮［5－7］?？梢?jiàn)路基工后沉降控制的關(guān)鍵是控制地基土壓縮沉降。路基工后沉降分別考慮加固區(qū)沉降和下臥層沉降，工后沉降ΔS為總沉降S總減去施工期已完成的沉降S施

ΔS=S總－ S施= λS有－ λUS無(wú)= λ(S有－ US無(wú))

式中:S有為在列車(chē)和長(zhǎng)期荷載工況下路基的最終沉降;S無(wú)為僅考慮施工期填土荷載工況下路基的最終沉降;λ為沉降修正系數(shù)，根據(jù)規(guī)范或者地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值;U為固結(jié)度或沉降完成率，與地層條件、填筑時(shí)間等緊密相關(guān)。

2.3 地基加固措施選用原則

在充分考慮地基土特性、厚度和埋深、地下水特征、路基標(biāo)準(zhǔn)要求，以及施工的可行性、經(jīng)濟(jì)合理性等因素基礎(chǔ)上，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，選擇最適宜的地基處理方法，通過(guò)檢算分析確定地基加固樁間距和加固深度等。

①本線正線地基:采用CFG樁、預(yù)制管樁為主，其中加固深度27.5 m以?xún)?nèi)地段選擇CFG樁復(fù)合地基，大于27.5 m以上采用管樁樁網(wǎng)加固。②加固深度27.5～40 m地段:無(wú)較厚硬夾層時(shí)選擇管樁樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)加固;存在較厚硬夾層時(shí)，選擇素混凝土樁、長(zhǎng)短組合樁樁筏結(jié)構(gòu)復(fù)合地基進(jìn)行加固。③松軟土厚度大(＞40 m):選用素混凝土樁、長(zhǎng)短組合樁樁筏結(jié)構(gòu)復(fù)合地基進(jìn)行加固。④橋路過(guò)渡段:選擇鉆孔樁樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行地基加固。⑤站線、聯(lián)絡(luò)線等有砟軌道:選用水泥攪拌樁或砂漿樁加固。⑥站坪填土:選用沖擊壓實(shí)加固。

(1)CFG樁樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)合地基

CFG樁適用于處理黏性土、粉土、砂土和已固結(jié)的素填土，不適于淤泥、泥炭土及碎石土等地層。CFG樁可采用長(zhǎng)螺旋鉆孔樁機(jī)施工，施工深度≤27.5 m。CFG樁樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)合地基由CFG樁+擴(kuò)大樁帽+土工格柵(格室)加筋墊層構(gòu)成。樁徑0.5 m，樁間距1.7～2.0 m，正線多采用1.8 m。CFG樁為本線的主體樁型。

(2)管樁樁網(wǎng)(筏)結(jié)構(gòu)復(fù)合地基

管樁為預(yù)制樁，具有施工速度快、施工質(zhì)量易保證等優(yōu)點(diǎn)，可采用錘擊法或靜壓法施工，施工深度一般不超過(guò)40 m，但難以穿越中密砂層、碎石土及厚度較大的硬塑以上黏性土層，適用于鄭徐客專(zhuān)的易液化粉土、軟塑狀黏性土地層。本線樁徑均為0.4 m，樁間距2.0～2.4 m(突破現(xiàn)行《鐵路地基處理技術(shù)規(guī)程》(TB10106—2010)中“管樁樁網(wǎng)(樁筏)結(jié)構(gòu)樁間距宜為樁徑的4～5倍”規(guī)定)。

(3)素混凝土樁樁筏結(jié)構(gòu)

素混凝土樁可采用長(zhǎng)螺旋入巖鉆機(jī)、回旋鉆機(jī)施工，施工深度可達(dá)40～50 m，適用于處理深厚層松軟土或間夾硬層厚層松軟地基。素混凝土樁樁筏結(jié)構(gòu)地基由素混凝土樁+碎石墊層(0.2 m)+筏板(0.6 m)構(gòu)成，樁徑0.6 m，樁間距3.0 m。

(4)鉆孔樁樁板結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土鉆孔樁可采用旋挖鉆機(jī)、回旋鉆機(jī)等施工，受地層影響較小、施工深度大、施工費(fèi)用高，多用于橋路過(guò)渡段等工后沉降控制嚴(yán)格的重要位置。鉆孔樁樁板結(jié)構(gòu)，樁徑1.0～1.2 m，樁間距4 ～5 m，鋼筋混凝土板梁厚1 m。

(5)螺桿樁樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)合地基

螺桿樁是一種上部圓柱形、下部螺紋形樁體，采用專(zhuān)用螺桿鉆機(jī)成孔，鉆進(jìn)時(shí)正向旋轉(zhuǎn)擠壓成孔，提鉆時(shí)反向旋轉(zhuǎn)形成螺紋形鉆孔，提鉆同時(shí)泵入混凝土的一種成樁工藝。為一種無(wú)棄土擠土樁，適用于易液化的粉土、粉砂地層，對(duì)提高承載力有優(yōu)勢(shì)。樁徑0.5 m，樁間距1.8～2.2 m，加固深度不大于32.0 m。

(6)長(zhǎng)短樁樁板結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)短樁由長(zhǎng)樁、短樁組合構(gòu)成，是一種新型地基加固措施。長(zhǎng)樁施工深度較大起到沉降控制作用，一般選用素混凝土樁或鉆孔樁等剛性樁;短樁主要起到增強(qiáng)承載力作用，一般選用較為經(jīng)濟(jì)的CFG樁、螺桿樁或攪拌樁等。一般采用樁筏結(jié)構(gòu)，組合樁間距2.5 m，筏板厚0.6 m。

(7)雙向水泥土攪拌樁及水泥砂漿樁復(fù)合地基

水泥土攪拌樁及水泥砂漿樁屬柔性柱，具有施工簡(jiǎn)單、快速、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，能有效地提高軟土地基的穩(wěn)定性，減少和控制沉降。由于其樁身強(qiáng)度較低、加固樁長(zhǎng)有限(≤16.0 m)，沉降控制力度較弱，主要應(yīng)用于車(chē)站站線、聯(lián)絡(luò)線等沉降控制要求較低的軟土地基處理。樁徑0.5 m，樁間距1.0～1.5 m。

3 典型工點(diǎn)地基加固措施實(shí)例

蘭考南站位于河南省蘭考縣，起訖里程DK105+535.37～DK107+071.17，全長(zhǎng)1511.68 m。兩端與橋相接，分布涵洞5座，中橋1座，地道1座，維修工區(qū)一處，站房采用“側(cè)下式”形式。全段路堤填高6.4～8.8 m，地基表層松軟土層厚25～30 m，均為軟塑狀黏性土及稍松—稍密狀粉土，地基軟弱。為滿(mǎn)足路基工后沉降要求，分線路標(biāo)準(zhǔn)、工程部位對(duì)地基進(jìn)行加固處理。

蘭考南站地基加固措施的主要設(shè)計(jì)類(lèi)型及參數(shù)如下:①全段正線路基(含3、4線)以CFG樁復(fù)合地基為主，CFG樁間距1.8～1.9 m，樁長(zhǎng)23～26 m。②涵路過(guò)渡段、道岔區(qū)采用管樁樁網(wǎng)(樁筏)復(fù)合地基加固，樁間距2.0～2.2 m，樁長(zhǎng)28～36.0 m。③兩端橋路過(guò)渡段采用鉆孔樁樁板結(jié)構(gòu)，樁徑1.0 m，樁間距4.0～4.5 m;中橋過(guò)渡段采用管樁樁筏結(jié)構(gòu)加固，樁間距2.0～2.2 m。④“側(cè)下式”站房與線路間設(shè)直立扶壁墻，地基采用鉆孔樁基礎(chǔ)，樁徑1.25 m。⑤維修工區(qū)范圍線路基底及周邊采用螺桿樁復(fù)合地基加固，以起到填土穩(wěn)定作用。⑥對(duì)站房場(chǎng)坪填土以控制填土穩(wěn)定為原則，考慮到本站填土較低、地基表層粉土松散易液化，填筑前采用沖擊壓實(shí)處理(如圖1)。

圖1 蘭考南站地基處理設(shè)計(jì)平面

［1］ 郭建湖，詹學(xué)啟，李小和．武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線無(wú)砟軌道路基變形控制設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(1):46-48

［2］ 孫紅林，李丹．京滬高速鐵路路基工程主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究［J］．鐵道建筑，2009(7):5-10

［3］ 詹學(xué)啟，郭建湖．武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線烏龍泉至韶關(guān)段無(wú)砟軌道路基過(guò)渡段設(shè)計(jì)［J］．鐵道建筑，2010(1):106-110

［4］ 趙靜．高速客運(yùn)專(zhuān)線天然黃土地基工后沉降數(shù)值模擬［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2012(5):3362-3366

［5］ 張占榮．武廣高鐵紅黏土地基沉降計(jì)算方法研究［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2011(4):9-14

［6］ 夏武一．無(wú)碴軌道的工后沉降探討［J］．鐵道勘察，2008，24(3):39-40

［7］ Luo，Z．，Atamturktur，S．，Cai，Y．，et al．Reliability analysis of basal-heave in a braced excavation in a 2-D random field．Computers and Geotechnics，2012，39:27-37